Оптические покрытия — типы, классы и материалы

Содержание

Оптические покрытия по ГОСТ Р 59739-2021 (п. 3.1) определены как тонкие одно- или многослойные плёнки из диэлектрических или металлических материалов толщиной, соизмеримой с длиной волны излучения. Оптические покрытия наносят на линзы, окна, призмы и зеркала, чтобы задать отражение, пропускание, поляризацию излучения или стойкость поверхности.

Классификация оптических покрытий по п. 5.1 ГОСТ Р 59739-2021 строится на четырёх признаках: назначение, способ нанесения, количество слоёв и тип материала. Типы оптических покрытий по назначению стандарт сводит к 9 видам: просветляющие, отражающие, фильтрующие, делительные, поляризующие, светопоглощающие, топологические, защитные и токопроводящие. По способу нанесения ГОСТ Р 59739-2021 выделяет пять групп: химическое осаждение, осаждение из газовой фазы, вакуумное испарение, ионное распыление и золь-гель.

В многослойных интерференционных системах чередуют низкопреломляющие плёнки MgF₂ и SiO₂ с высокопреломляющими Ta₂O₅, TiO₂ и ZnS. Для металлических зеркальных покрытий используют алюминий, серебро и золото. Диэлектрическое зеркало отражает более 99% излучения на рабочей длине волны, металлическое зеркало из Al, Ag или Au отражает от 90 до 98%.

Стойкость оптических покрытий задают отдельно от их вида: категориями A-D и O по ГОСТ Р 59608.3-2021 и группами механической прочности и влагопрочности по ОСТ 3-1901-95. Вид покрытия описывает, что происходит с излучением на поверхности детали, а категория и группа прочности показывают, какую чистку, влажность и истирание плёнка выдержит без изменения спектральных характеристик.

Виды оптических покрытий по назначению и где их применяют

Виды оптических покрытий — просветляющие, отражающие, светоделительные, токопроводящие

Таблица 1 ГОСТ Р 59739-2021 делит типы оптических покрытий по действию на излучение, а приложение А называет изделия для каждого вида.

Просветляющее покрытие ставят почти на каждую преломляющую поверхность, потому что граница стекла с воздухом без него теряет свет на отражении. Подбор слоёв под рабочий диапазон разобран в статье о просветлении оптики.

У внешнего зеркала свет отражается от покрытой поверхности, у внутреннего сначала проходит подложку. Отражатели для поляризованного излучения выделены отдельно, поскольку при наклонном падении коэффициент отражения многослойной системы зависит от поляризации. Многослойные зеркала, фильтры, делители и поляризаторы относятся к интерференционным покрытиям: спектральная кривая складывается из отражений на границах слоёв с разным показателем преломления.

Защитные и токопроводящие покрытия спектр не формируют.

По п. 3.2.15 ГОСТ Р 59739-2021 токопроводящий слой обогревает элемент против запотевания и снимает электростатический заряд. Типовой материал для такого слоя называют ITO, это оксид индия и олова с пропусканием в видимой области до 90% при сопротивлении от 5 Ом/кв. Серийные стёкла с ITO выпускают на 4-300 Ом/кв.

Материалы для оптических покрытий: диэлектрические плёнки

Плёнкообразующие материалы для оптических покрытий по табл. 4 ГОСТ Р 59739-2021 делятся на три класса: диэлектрические, металлические и металлодиэлектрические. Внутри диэлектрической группы стандарт выделяет селениды, фториды, сульфиды, тугоплавкие окислы и углеродосодержащие плёнки DLC.

Диэлектрические покрытия собирают из чередующихся слоёв с низким и высоким показателем преломления. Чем больше разница n в паре, тем меньше слоёв нужно для заданного коэффициента отражения. По данным учебного пособия ИТМО, 15-17 слоёв в парах SiO₂/TiO₂ или MgF₂/ZnS дают R≥99% в широкой спектральной области.

Граница прозрачности плёнки часто решает выбор раньше, чем показатель преломления. SiO₂ поглощает излучение короче 250 нм, поэтому в УФ-системах на 193-250 нм низкопреломляющим слоем служат фториды, а высокопреломляющим HfO₂. ZnS сохраняет высокий n до 14 мкм и остаётся основным материалом ИК-систем, хотя плёнка мягкая (у ZnS внутренние напряжения сжимающие, у MgF₂ растягивающие). Для наружной ИК-оптики поверх системы на Ge, Si, ZnSe и ZnS наносят сверхтвёрдый слой DLC.

Схема многослойного оптического покрытия — чередование слоёв с низким и высоким показателем преломления

Металлические зеркальные покрытия и металлодиэлектрики

Алюминий, серебро и золото отражают больше 90% излучения в широкой полосе, у Al и Au она доходит до 20 мкм. Параметры металлических зеркальных покрытий по данным каталога Tydex «Оптические покрытия» сведены в таблицу.

У защищённого алюминия есть полосы поглощения на 3 мкм и 9-11 мкм, поэтому в ИК-зеркалах его заменяют серебром или золотом. Золото слабо отражает короче 600 нм. Серебро теряет отражение в УФ.

Золото химически инертно и не окисляется, но без защитного слоя механически мягкое и легко царапается. Незащищённое Au чистят только обдувом или проливом растворителем.

Металлическое зеркало держит высокое отражение в широком спектре и мало меняет его при смене угла падения. Диэлектрическое зеркало даёт R>99% только в расчётной полосе, зато выдерживает несколько Дж/см², тогда как лучевая прочность металлических покрытий по Tydex составляет 0,25-0,3 Дж/см² при импульсе 50 нс. Для импульсных лазеров выбор смещается к диэлектрику, для широкополосных спектральных приборов остаётся металл.

Металлодиэлектрические, или усиленные, оптические покрытия совмещают оба подхода: пара диэлектрических слоёв поверх металла поднимает R в рабочей зоне и сохраняет широкую полосу за её пределами.

равнение металлического и диэлектрического зеркального покрытия в оптике

Стойкость и деградация покрытий: истирание, влага, УФ, подложка

Оксидные слои оптических покрытий выдерживают истирание на уровне групп 0-I, а фториды, сульфиды и селениды попадают в группы I-III в зависимости от технологии нанесения (по данным СГУГиТ). Внутри оксидов разброс тоже заметен: по пособию ИТМО, наибольшую прочность при истирании показывают плёнки SiO₂, наименьшую дают плёнки TiO₂.

Влагопрочность упирается в плотность слоя. Al, Ag, PbF₂, ZnS и криолит при резистивном или электронно-лучевом испарении образуют пористые гигроскопичные «мягкие» покрытия, которые впитывают воду из воздуха. Серебро без защиты деградирует быстрее остальных металлов, потому что оксид серебра не создаёт прочной пассивирующей плёнки, и Ag наносят только под защитным диэлектрическим слоем.

Поглощение в ультрафиолете ограничивает выбор материала: плёнка, прозрачная в видимом диапазоне, в коротковолновой зоне начинает поглощать, и для УФ-оптики список пригодных материалов резко сужается. Почему одно и то же покрытие на К8 и на ZnSe получает разную оценку стойкости? Пункт 3.3 ГОСТ Р 59608.3-2021 прямо указывает, что категория зависит от подложки и результат, подтверждённый на стекле, может не повториться на мягком материале. По п. 3.4 того же стандарта на склеенные узлы его требования не распространяются вовсе, поэтому стойкость склейки оговаривают отдельно.

При подборе покрытия под ZnSe или Ge мы сначала уточняем, будет ли деталь стоять снаружи и как её будут чистить. Наружному окну тепловизора нужна система с запасом по истиранию и влаге, а поверхности внутри герметичного корпуса хватает слоёв с меньшей стойкостью.

Классификация оптических покрытий по стойкости: три системы классов

Инфографика — три системы классов оптических покрытий по ГОСТ и ОСТ

Стойкость оптических покрытий одной детали в России можно задать по трём разным шкалам, и в ТЗ их регулярно смешивают: пишут «класс A» вместо категории или «группа C» вместо группы прочности. ГОСТ Р 59739-2021 и ГОСТ Р 59608.3-2021 введены впервые. ОСТ 3-1901-95 формально не отменён, новые ГОСТ Р его дополняют, а многие заводы по-прежнему выпускают ТУ по отраслевому стандарту.

Категории стойкости по п. 3.1 ГОСТ Р 59608.3-2021:

• A: элемент внутри герметичного блока, физический контакт с покрытием не допускается;
• B: контролируемые условия, допустимо мягкое истирание при регламентированной очистке;
• C: нормальные условия, очистка без сильных воздействий, без истирания и царапин;
• D: жёсткие условия, очистка с сильным воздействием и риском истирания и царапин;
• O: специальные требования в нормативной документации, где категорию можно задать раздельно для истирания, влажности и адгезии.

Группа механической прочности покрытия по ОСТ 3-1901-95 определяется числом оборотов истирающего наконечника на приборе СМ-55 и допустимым способом чистки:

• 0: не менее 3000 оборотов, чистка батистовой салфеткой со спиртом;
• I: не менее 2000 оборотов;
• II: выдерживает чистку, но не более 1000 оборотов;
• III: только бережная чистка ватным тампоном со спиртом, механическая чистка не допускается (СГУГиТ);
• IV: никакой чистки и механических воздействий, после нанесения деталь защищают.

В ряде источников группы прочности оптических покрытий обозначают арабскими цифрами 0-4. Влагопрочность ОСТ делит на три группы по режиму испытаний:

Можно ли подставить категорию стойкости вместо группы прочности? Прямого пересчёта между шкалами нет. Группа ОСТ привязана к числу оборотов на конкретном приборе, а категория ГОСТ Р 59608.3 опирается на условия эксплуатации и методы ГОСТ Р ИСО 9211-4. По оценке СГУГиТ (2021), часть нормативов ОСТ 3-1901-95 устарела и не отвечает современным техническим характеристикам покрытий — при этом стандарт остаётся основой заводских ТУ, поэтому в одной спецификации нередко стоят и группа прочности, и категория стойкости.

Обозначение покрытий на чертеже и коды ИСО 9211-1

Приложение В ГОСТ Р 59739-2021 сопоставляет виды покрытий с десятью кодами ГОСТ Р ИСО 9211-1, а знаки для чертежа задаёт ГОСТ 2.412-81.

Для спектроделительных и топологических покрытий приложение Г ставит прочерк: знака в ГОСТ 2.412-81 для них нет.

Условный знак покрытия ставят на полке линии-выноски (ГОСТ 2.412-81, прил. 1). По п. 6.2 ГОСТ Р 59739 в конструкторской документации на покрытия оптических деталей достаточно знака на поверхности. Технические требования повторяют знак и дополняют его номером поверхности, оптическими параметрами и эксплуатационными характеристиками по ГОСТ Р 59608.3.

Эксплуатационную строку в ТТ записывают так: «Категория C; истирание, влажность: категория B; адгезия: 03». Остальные правила оформления чертежа описаны в статье о ГОСТ на оптические детали и чертежи.

Нормативная база по оптическим покрытиям

С 1 марта 2022 года в России действуют два национальных стандарта на оптические покрытия, утверждённые приказами Росстандарта от 12.10.2021.

При импортозамещении MIL-требования к истиранию переводят в категории ГОСТ Р 59608.3, повторяя испытания по методам ГОСТ Р ИСО 9211-4. Число ходов по MIL и буква категории описывают разные нагрузки, поэтому одно не подставляют вместо другого без испытания.

Как наносят оптические покрытия: методы и их влияние на свойства

Схема вакуумного напыления оптического покрытия в камере

Способы нанесения оптических покрытий табл. 2 ГОСТ Р 59739-2021 сводит в пять групп, от химического осаждения до золь-геля. Плотность, влагостойкость и механическая прочность плёнки у этих методов различаются.

Электронно-лучевое испарение даёт «жёсткие» оксидные слои, если подложку греют до 250-300 °C, по данным Alluxa. Пористая EB-плёнка при этом впитывает влагу, и центральная длина волны фильтра дрейфует при переходе из вакуума на воздух.

Ионное ассистирование уплотняет слой при вакуумном напылении и уменьшает этот дрейф. По данным RP Photonics, у ионно-лучевого распыления плотность плёнки близка к объёмной, поэтому интерференционные покрытия IBS сохраняют спектр одинаковым в обеих средах.

С лучевой прочностью картина обратная: EB-плёнки в ближнем ИК могут давать наибольший порог повреждения, но в вакууме он снижается, а у IBS не меняется (Optik, 2014).

Для узкополосных фильтров, которые работают то в вакуумной камере, то на воздухе, мы советуем прописывать метод нанесения прямо в ТЗ.

Кварц-Пром наносит покрытия магнетронным распылением, IBS, электронно-лучевым и термическим испарением.

Какое покрытие выбрать под подложку и диапазон

Матрица выбора оптического покрытия по подложке и спектральному диапазону

Без оптического покрытия одна поверхность КУ-1 отражает 3,5% излучения, у К8 потери на отражение составляют 4,2%, а германий с показателем преломления 4,0 возвращает 36% с каждой грани. Без покрытия германиевое окно теряет больше половины потока, поэтому для Ge просветление обязательно.

Материал подложки задаёт сразу три ограничения: рабочий спектр, допустимый нагрев при напылении и то, какой внешний слой выдержит эксплуатацию.

Матрица служит ориентиром для первого выбора. Конкретную систему слоёв рассчитывают под рабочую длину волны, угол падения и поляризацию: одна и та же пара материалов на К8 при нормальном и при наклонном падении даёт разные спектральные кривые.

Что указать в ТЗ на оптическое покрытие

Пункт 6.2 ГОСТ Р 59739-2021 требует указывать в технических требованиях знак покрытия с поверхностью, оптические параметры и эксплуатационные характеристики. Для заказа покрытия оптических деталей этого мало: систему слоёв рассчитывают под условия работы.

1. Деталь, материал подложки, номер поверхности.
2. Вид покрытия по ГОСТ Р 59739-2021 и код ИСО 9211-1.
3. Рабочий диапазон или длина волны, угол падения, поляризация.
4. Требуемые R или T и способ расчёта: средний ρ(λср) или τ(λср) по 10-15 точкам спектральной кривой (прил. Б).
5. Лучевая прочность для лазерного тракта: длительность импульса, частота, длина волны.
6. Категория стойкости по ГОСТ Р 59608.3-2021 и/или группа прочности по ОСТ 3-1901-95, если завод работает по ОСТ.
7. Условия эксплуатации: вакуум или воздух, влажность, способ чистки.
8. Методы контроля и документы приёмки.

Присланные ТЗ мы чаще всего возвращаем с двумя вопросами: под каким углом падает пучок и чем деталь будут чистить. Оба параметра меняют конструкцию слоёв, поэтому, на наш взгляд, их стоит вписывать даже для однослойного просветления.

Кварц-Пром наносит оптические покрытия на подложки из КУ-1, КУ-2, К8, ЛК5 и ТФ10 размером 5-300 мм в диапазоне от 193 нм до 14 мкм, число слоёв 1-50+. V-coating даёт R<0,1% на одной длине волны, BBAR обеспечивает R<1% в широкой полосе, диэлектрические зеркала отражают более 99,5%. Срок изготовления 3-6 недель. Параметры услуги собраны на странице о нанесении оптических покрытий по ТЗ.

Частые вопросы

Какие бывают оптические покрытия?

ГОСТ Р 59739-2021 делит оптические покрытия по назначению на 9 видов: просветляющие, отражающие, фильтрующие, делительные, поляризующие, светопоглощающие, топологические, защитные и токопроводящие. Кроме назначения, покрытие классифицируют по способу нанесения, числу слоёв и материалу плёнки.

Чем диэлектрическое зеркало отличается от металлического?

Диэлектрическое зеркало из чередующихся слоёв с низким и высоким показателем преломления отражает более 99% излучения на рабочей длине волны, а металлическое зеркало из Al, Ag или Au, по данным Tydex, отражает от 90 до 98% в зависимости от металла и диапазона. Лучевая прочность многослойного диэлектрика в несколько раз выше, поэтому для импульсных лазеров выбирают его. Металлическое зеркало выигрывает шириной спектра и слабой зависимостью отражения от угла падения, поэтому его ставят в широкополосные и ИК-системы.

Что такое группа механической прочности покрытия?

Группа механической прочности по ОСТ 3-1901-95 показывает, какую чистку и истирание выдерживает покрытие оптической детали. Шкала включает пять групп: в группу 0 входят самые стойкие плёнки, а оптические покрытия группы IV не допускают никакой чистки. Группу определяют испытанием на приборе СМ-55: чем больше оборотов истирающего наконечника выдержала плёнка без повреждений, тем ниже номер группы.

Что означает категория покрытия C или D?

Категория C по ГОСТ Р 59608.3-2021 означает эксплуатацию в нормальных условиях, где покрытие очищают без сильных воздействий, истирания и царапин. Категория D относится к жёстким условиям: очистка с сильным механическим воздействием и риском заметного истирания.

Можно ли протирать оптику с покрытием спиртом?

Допустимость протирки спиртом зависит от группы механической прочности оптического покрытия по ОСТ 3-1901-95. Покрытия групп 0-I чистят батистовой салфеткой со спиртом, покрытия группы III допускают только бережную чистку ватным тампоном со спиртом без механического усилия, а покрытия группы IV нельзя чистить совсем. Группу берут из технических требований чертежа или паспорта детали.

Какой материал плёнки выбрать для УФ короче 250 нм?

Для ультрафиолета короче 250 нм оптические покрытия собирают из фторидов, в первую очередь из MgF₂, прозрачного от 210 нм, и из оксида гафния HfO₂ с высоким порогом лазерного разрушения. Зеркала для этой зоны делают из алюминия с защитным слоем MgF₂. Плёнки SiO₂ ниже 250 нм поглощают излучение и в УФ-системы этой зоны не входят.

Для подбора системы покрытия достаточно трёх исходных данных: материал подложки, рабочий спектральный диапазон и условия эксплуатации. С ними можно обратиться к инженерам Кварц-Пром: варианты под ваше ТЗ собраны на странице оптических покрытий.

Об авторе

Инженер-оптик Кварц-Пром, специалист по подбору оптических материалов и покрытий для УФ, видимого и ИК-диапазона. Специализация: оптические окна, линзы, призмы и резонаторы; плёнкообразующие материалы и системы покрытий для лазерной и тепловизионной оптики.